蓮子淀粉糊流變特性的研究

郭澤鑌 陳 玲 曾紹校 林鴛緣 鄭寶東

蓮子淀粉糊流變特性的研究

郭澤鑌1，2，3陳 玲1，2曾紹校1，2，3林鴛緣1鄭寶東1，2，3

（福建農林大學食品科學學院1，福州 350002）
（福建農林大學食品科學技術研究所2，福州 350002）
（福建省特種淀粉品質科學與加工技術重點實驗室3，福州 350002）

為探討蓮子淀粉糊及蓮子淀粉-膠體體系的流變特性，使用流變儀研究了不同蓮子淀粉乳濃度和添加不同親水性膠體的蓮子淀粉糊的流變特性。靜態流變特性研究結果表明，蓮子淀粉糊和添加膠體的蓮子淀粉糊均為典型的非牛頓、時間依賴剪切變稀和觸變性的流體，其流變特性曲線可用Herschel-Bulkley方程進行較好的擬合。隨淀粉乳濃度和瓜爾豆膠（guar）、黃原膠（xan）添加量的增大，蓮子淀粉糊的屈服應力τ0增大，而添加羧甲基纖維素（CMC）、卡拉膠（car）和海藻酸鈉（alg）可使淀粉糊的流動性增強。動態流變特性研究結果表明，蓮子淀粉糊儲能模量（G′）、損耗模量（G″）隨蓮子淀粉乳濃度增大而增大，且G′大于G″。添加CMC、alg能提高蓮子淀粉糊的黏彈性，而添加guar和低濃度的xan、car則降低蓮子淀粉糊的黏彈性。

蓮子淀粉 流變特性 親水性膠體

淀粉作為食物的主要成分和重要的可再生原料，愈來愈受到人們的重視。流變特性是以流體力學和彈性力學為基礎，主要應用線性黏彈性理論，研究食品在形變范圍內的黏彈性質及其變化規律，測量食品在特定形變情況下具有明確物理意義的流變響應［1］。食品流變性質對食品的運輸、傳送、加工工藝以及人在咀嚼食品時的滿足感等都起著非常重要的作用［2］。淀粉糊的流變特性直接影響了淀粉質食品的品質優劣和淀粉的應用范圍，因此，深入研究淀粉糊的流變特性是當前淀粉科學的熱點。

蓮子是睡蓮科蓮屬（Nelumbo nucifera Gaertn）植物的果實或種子，是我國重要的特產經濟資源，位于武夷山脈兩側的福建建寧、江西廣昌，分別以“中國建蓮之鄉”、“中國白蓮之鄉”著稱［3］。蓮子具有很高的營養價值和保健功效，是藥食兩用的珍貴佳品，在國內外市場深受消費者的青睞［4-7］。淀粉是蓮子的主要成分，占蓮子干物質的50%以上，淀粉品質特性直接影響到加工后蓮子產品的品質。因此，對蓮子淀粉糊流變特性的研究具有重要意義。

張乾能等［8］研究了球磨粉碎時間、淀粉糊濃度以及溫度對微細化蓮子淀粉糊流變性質的影響。結果表明：蓮子淀粉糊為假塑性流體，其表觀黏度隨著淀粉乳的濃度和溫度的增加而迅速增大，但是經過長時間球磨后的蓮子淀粉糊的流變特性對溫度的依賴性減小。除淀粉顆粒大小和品種外，淀粉流變特性在實際生產加工中，還受到糖、鹽、膠體、乳化劑、酸堿等介質條件的影響，而這些介質又是食品加工中必不可少的添加劑。Pongsawatmanit等［9］研究指出木薯淀粉隨著黃原膠添加量的增加，特性黏度升高；木薯淀粉及其與黃原膠的復配體系均顯示剪切變稀的現象。Nagano等［10］通過共聚焦激光掃描顯微鏡研究瓜爾豆膠對玉米淀粉顆粒溶脹過程中的影響變化，結果表明瓜爾豆膠會抑制淀粉成分從淀粉顆粒溶出。另外，動態流變特性研究指出淀粉糊體系的特性黏度隨瓜爾豆膠濃度的增加而上升。李潔等［11］測定了不同添加物對蓮藕淀粉糊剪切應力和表觀黏度的影響，結果表明添加劑不會改變蓮藕淀粉糊的流體類型；單甘酯、蔗糖、磷酸鹽使蓮藕淀粉糊的剪切應力不同程度降低，表觀黏度也相應降低；羧甲基纖維素鈉（CMC）、食鹽、黃原膠使蓮藕淀粉糊的剪切應力明顯提高，表觀黏度稍有增大。淀粉糊隨添加物的不同，其流變特性會有不同程度的變化。研究膠體、鹽、酸堿等食品加工常用的添加劑對淀粉糊影響的規律，對加工工藝條件的選擇和優化具有指導意義。

本試驗研究不同蓮子淀粉濃度以及添加不同親水膠體條件下，剪切速率、剪切時間等因素對蓮子淀粉糊的流變特性影響規律，擬合回歸流體類型；并測定其動態流變特性和剪切結構恢復力，探討其流變特性機理，以期為蓮子淀粉的應用和蓮子產品的開發提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

新鮮蓮子：綠田（福建）食品有限公司，產地：福建建寧。瓜爾豆膠、黃原膠、羧甲基纖維素（FH9）、卡拉膠（κ型）、海藻酸鈉為食品級。

MCR301流變儀：奧地利安東帕公司；DS-200型高速組織搗碎機：常州翔天實驗儀器廠。

1.2 試驗方法

1.2.1 蓮子淀粉的制備

采用水洗法提取蓮子淀粉。鮮蓮經去皮通芯后置于高速組織搗碎機中，加入少量水，破碎后過100目篩，收集濾液并靜置沉淀6 h，棄去上清液，下層沉淀用蒸餾水清洗，再靜置沉淀4 h，棄去上清液后置于45℃烘箱中烘干，粉碎后過80目篩，即得蓮子淀粉樣品。

1.2.2 蓮子淀粉／膠體體系

分別添加0%、0.25%、0.5%和1%的瓜爾豆膠（guar）、黃原膠（xan）、CMC、卡拉膠（car）和海藻酸鈉（alg），制成5%濃度的蓮子淀粉／膠體混合體系。

1.2.3 靜態流變特性測定

1.2.3.1 流變曲線測定

取少量經充分糊化的樣品放在流變儀的測定平臺上，選取直徑為25 mm的錐板模具和穩剪切測試程序，啟動儀器，刮去多余樣品，加蓋防揮發槽。恒定溫度為25℃，測定樣品剪切應力（τ）分別在3 min內隨剪切速率（γ）從0～300 s-1遞增（上行線），再從300～0 s-1遞減（下行線）過程中的變化。

1.2.3.2 流變模型擬合分析

通過設備自帶的軟件，對上行線和下行線圍成的滯后回路進行滯后面積的計算，并采用Herschel-Bulkley方程（如下所示）對流變曲線進行模型擬合分析。

式中：τ為剪切應力／Pa；τ0為屈服應力／Pa；K為稠度系數／Pa·sn；γ為剪切速率／s-1；n為流動特征指數，無量綱，表示液體偏離牛頓流體的程度。

1.2.4 動態流變特性測定

按照1.2.3.1步驟加樣，設定流變儀溫度為25℃，角頻率（ω）為10 rad／s，進行振幅掃描，確定樣品的線性黏彈區；然后在線性黏彈區內設置應變為0.5%，進行頻率掃描，頻率掃描范圍為0.1～100 rad／s，測定儲能模量（G′）和損耗模量（G″）隨角頻率的變化。

1.2.5 剪切結構恢復力試驗

按照1.2.3.1步驟加樣，溫度恒定為25℃。測試程序為低速剪切、高速剪切、低速剪切3個階段。測定樣品依次于1、300、1 s-1剪切速率下，分別剪切120、60、180 s的表觀黏度（η）變化。剪切結構恢復力記為第3階段前30 s的表觀黏度與第1階段表觀黏度的比值。

2 結果與分析

2.1 蓮子淀粉糊的靜態流變行為

2.1.1 不同淀粉乳濃度的蓮子淀粉糊靜態流變行為

2.1.1.1 不同濃度蓮子淀粉糊的流變曲線

圖1為2%、4%、6%和8%不同濃度下蓮子淀粉糊隨剪切速率遞增和遞減的τ-γ關系曲線和滯后面積。剪切速率從0～300 s-1遞增所經歷的流變曲線為上行線，從300～0 s-1遞減所經歷的流變曲線為下行線，這樣經歷一個循環叫“滯后回路”，圍合的面積叫滯后面積。“滯后回路”法可以用于流體的定性［12］。

圖1 不同濃度下蓮子淀粉糊的流變曲線

凝膠一般為觸變性流體，具有三維網絡結構，由分子間的氫鍵相互作用力形成。但氫鍵作用力很弱，當受到剪切作用時容易斷裂，凝膠結構逐漸受到破壞，該破壞具有時間依賴性，當剪切力消失或減小時，凝膠結構又會逐漸恢復，但恢復的速度比破壞的速度慢得多。觸變性就是指凝膠結構形成和破壞的能力，不同的觸變性表現為黏度恢復的快慢。從圖1看出，不同濃度的蓮子淀粉糊表現為典型的非牛頓、時間依賴剪切變稀的假塑性流體。4種不同濃度的蓮子淀粉糊，隨剪切速率從0～300 s-1遞增，剪切應力逐漸增大，即黏度變稀，而從300～0 s-1遞減，剪切應力逐漸減小，即黏度逐漸恢復。但由于淀粉糊在不同條件下內部結構所受的流變破壞和恢復的速率不同，宏觀上表現為表觀黏度有不同程度的回升，即蓮子淀粉糊表現出明顯的觸變性，在流變曲線圖中形成大小不同順時針方向的滯后回路。且隨淀粉乳濃度的增加，滯后面積增大。這反映了濃度越高，淀粉糊形成三維網絡凝膠結構越剛硬，凝膠結構受剪切破壞后，越難恢復到剪切前的狀態。

表1 不同濃度下蓮子淀粉糊的Herschel-Bulkley方程擬合參數和滯后面積

但4%濃度的蓮子淀粉糊較為特殊，當γ＞25 s-1時，形成逆時針方向的回路，當γ＜25 s-1時，形成順時針方向的回路，表現為復合觸變性。順時針回路不太明顯，以逆時針回路為主，滯后面積為-601 Pa／s左右。這可能與該濃度下淀粉糊所處的狀態有關［13］。濃度較低時，恢復速度快，則下行線在上行線之上；濃度很低時，分子鏈相距較遠，彼此獨立；濃度高時，內部結構緊密，結構恢復速度比破壞速度較慢，呈現出滯后性，則下行線在上行線之下［14］。譚洪卓等［15］、Dintzis等［16-18］先后報道了處于亞濃溶液狀態的淀粉溶液是剪切變稠的流體，且會形成剪切誘導結構，并指出支鏈淀粉是該現象產生的主要原因。Wang等［19］也報道了5%濃度蠟質玉米淀粉在不同的糊化條件下表現出觸變性和反觸變性。楊彬等［20］提出蓮子淀粉濃度較高時，體系溫度高分子相互作用大，溶液體積膨脹，表現為表觀黏度升高。綜上，淀粉濃度對淀粉糊的觸變性影響顯著。

2.1.1.2 不同濃度蓮子淀粉糊的流變模型擬合分析

高分子溶液的流變模型常見的有冪律方程、Cross方程和Herschel-Bulkley方程。本試驗通過Herschel-Bulkley方程對蓮子淀粉糊的流變模型進行擬合分析。由表1可知，隨著淀粉乳濃度的增大，屈服應力τ0增強，濃度為8%時，屈服應力為72.21 Pa。隨濃度的增大，稠度系數K增大，而流動特征指數n減小（4%濃度除外）。說明濃度越大，蓮子淀粉糊剪切稀化程度越明顯。這從圖1的流動曲線可得到驗證。因此，在實際生產應用中應注意剪切速率對淀粉糊黏度的影響。

2.1.2 添加不同親水性膠體的蓮子淀粉糊靜態流變行為

2.1.2.1 蓮子淀粉／膠體體系的流變曲線

從圖2可以看出，蓮子淀粉與5種膠體的復配體系均為假塑性流體，且大多數流變曲線的上行線與下行線基本重合，有少數下行線在上行線之上。但1%guar除外，其下行線在上行線下方，且滯后回路明顯。圖2中也顯示添加親水性膠體后體系滯后面積減小。提示親水性膠體有利于提高體系結構受剪切破壞后恢復到剪切前狀態的能力，甚至新形成的結構更穩定［21-22］。但膠體類型和添加量不同，影響程度不同。隨guar添加量的增加，體系滯后面積明顯增大。當guar添加量為1%時，體系的滯后面積明顯大于空白組，說明體系結構受剪切作用的破壞嚴重。隨CMC、alg添加量的增大，滯后面積減小，且均小于空白組表明抗剪切能力增強。xan、car添加量為0.5%時，滯后面積分別大于其0.25%、1%添加量時的滯后面積，但均小于空白組。

圖2 不同濃度蓮子淀粉／膠體體系的淀粉糊流變曲線

2.1.2.2 蓮子淀粉／膠體體系的流變模型擬合分析

由表2可知，guar、xan隨著添加量的增大，屈服應力τ0增大；CMC、car和alg添加量越大，屈服應力τ0越小。而CMC、car和alg可使淀粉糊的流動性增強。上行線的屈服應力τ0均高于下行線，這主要是前者為靜態屈服應力，后者為動態屈服應力。與空白組比較，guar體系隨添加量的增大，稠度系數K增大，而流動特征指數n減小，說明添加量越大，體系剪切稀化程度越大。與空白組相比，添加量較低（0.25%）時，CMC、car體系稠度系數K減小，而xan、alg體系在0.25%、0.5%和1%3種添加量下，稠度系數均減少，說明體系內部結構穩定，具有較強的抗剪切能力。因此，選擇適合親水性膠體類型和添加量有助于減少剪切速率對淀粉糊黏度的影響。

表2 蓮子淀粉／親水性膠體體系的Herschel-Bulkley方程擬合參數

2.2 蓮子淀粉糊的動態流變行為

2.2.1 不同淀粉濃度的蓮子淀粉糊動態流變行為

圖3為不同淀粉乳濃度下蓮子淀粉糊的G′和G″，分別表征蓮子淀粉糊的彈性和黏性。從圖3中可知，蓮子淀粉乳濃度越大，G′、G″也越大，且 G′大于G″。因為蓮子淀粉乳濃度增大，淀粉分子之間的相互作用增強，形成具有牢固網絡結構的凝膠，彈性更強。而2%低濃度下，蓮子淀粉糊為稀濃液不具有黏彈性。

圖3 不同濃度下蓮子淀粉糊的G′和G″

2.2.2 添加不同親水性膠體的蓮子淀粉糊動態流變行為

圖4為添加不同親水性膠體的蓮子淀粉糊的儲能模量和損耗模量。隨guar添加量的增大，復合體系的G′、G″均升高，表現出較強的彈性。這是由于瓜爾豆膠分子鏈上的羥基同淀粉分子形成了氫鍵，分子間形成網絡結構，添加黃原膠也有類似的效果。添加CMC時，復合體系的G″隨添加量的增加而增加，而G′隨添加量的增加呈先減小后增加再減小的趨勢，添加量為0.5%時G′最高。添加car時，復合體系的G″隨添加量的增加而增加，當添加量為1%時，G′高于空白組。添加alg時，復合體系的G′、G″均隨添加量的增加而降低。說明蓮子淀粉與alg之間無相互協同作用。

圖4 不同濃度蓮子淀粉／膠體體系淀粉糊的G′和G″

2.3 蓮子淀粉糊的剪切結構恢復力測試

2.3.1 不同淀粉乳濃度的蓮子淀粉糊剪切恢復力測試

剪切恢復力試驗用于研究淀粉糊在高速剪切后恢復到低速剪切原始結構的能力。由圖5可知，隨淀粉濃度的增大，剪切第3階段的黏度明顯小于剪切第1階段，說明體系內部結構恢復能力減弱。經計算可知，4%、6%和8%濃度的蓮子淀粉糊剪切結構恢復力分別為102.67%、77.39%和67.28%。4%濃度的淀粉糊的剪切結構恢復力超過了100%，說明剪切誘導體系內部產生更為穩定的新結構。

圖5 不同濃度下蓮子淀粉糊的剪切結構恢復力結果

2.3.2 添加不同親水性膠體的蓮子淀粉糊剪切結構恢復力測試

從圖6可知，隨著CMC、alg添加量的增大，體系恢復力增大，說明CMC、alg能使蓮子淀粉在高速剪切變形后，結構迅速恢復。xan、car添加量較低時，體系恢復力降低，添加量增大，恢復力也增大。而添加guar后，體系結構恢復力降低。

圖6 添加親水性膠體對蓮子淀粉糊剪切結構恢復力的影響

3 結論

3.1 蓮子淀粉糊的靜態流變試驗表明，蓮子淀粉糊表現為典型的非牛頓、時間依賴剪切變稀和觸變性的流體。隨淀粉濃度的增大，淀粉糊的屈服應力τ0、稠度系數K增大，流動特征指數n減小，流體的假塑性增強。分別添加 guar、xan、CMC、car和 alg的蓮子淀粉糊復配體系均為假塑性流體，流變曲線顯示親水性膠體有利于提高體系結構受剪切破壞后恢復到剪切前狀態的能力，甚至形成更為穩定的網絡新結構，從而抗剪切能力增強。

3.2 蓮子淀粉糊的動態流變試驗表明，蓮子淀粉糊G′、G″隨蓮子淀粉濃度增大而增大，且 G′大于 G″，說明淀粉分子之間的相互作用增強，形成具有牢固網絡結構的凝膠，表現出較強的彈性特征。添加親水性膠體后，復合體系仍表現為彈性特征。但添加guar、xan時，復合體系的 G′、G″隨添加量的增大均升高；CMC、car添加量分別為0.5%、1%時，復合體系的G′最高；添加alg時，復合體系的G′、G″均隨添加量的增加而降低。說明不同親水性膠體對蓮子淀粉糊的黏彈性影響不同。

［1］劉志東，郭本恒.食品流變學的研究進展［J］.食品研究與開發，2006，27（11）：211-215

［2］李云飛，殷涌光，徐樹來，等.食品物性學［M］.第二版.中國輕工業出版社，2009

［3］鄭寶東.蓮子科學與工程［M］.科學出版社，2010

［4］Bhat R，Sridhar K R.Nutritional quality evaluation of electron beam-irradiated lotus（Nelumbo nucifera）seeds［J］.Food Chemistry，2008，107（1）：174-184

［5］鄭寶東，鄭金貴，曾紹校.我國主要蓮子品種營養成分的分析［J］.營養學報，2003，25（2）：153-156

［6］鄭寶東，鄭金貴，曾紹校.我國主要蓮子品種中三種功效成分的研究［J］.營養學報，2004，26（2）：158-160

［7］曾紹校，陳秉彥，郭澤鑌，等.蓮子生理活性的研究進展［J］.熱帶作物學報，2012，33（11）：2110-2114

［8］張乾能，吳斌，宗力.微細化蓮子淀粉的流變特性研究［J］.食品科學，2009，30（9）：89-94

［9］Pongsawatmanit R，Srijunthongsiri S.Influence of xanthan gum on rheological properties and freeze-thaw stability of tapioca starch［J］.Journal of Food Engineering，2008，88（1）：137-143

［10］Nagano T，Tamaki E，Funami T.Influence of guar gum on granule morphologies and rheological properties of maize starch［J］.Carbohydrate Polymers，2008，72（1）：95-101

［11］李潔，田翠華，項麗霞，等.添加劑對蓮藕淀粉糊流變特性的影響［J］.中國糧油學報，2007（1）：65-68

［12］曾紹校，鄭寶東，林鴛緣，等.蓮子淀粉顆粒特性的研究［J］.中國糧油學報，2009（8）：62-64

［13］譚洪卓，谷文英，劉敦華，等.甘薯淀粉糊與綠豆淀粉糊流變行為的共性與區別［J］.農業工程學報，2006（7）：32-37

［14］吳其曄.高分子凝聚態物理及其進展［M］.上海：華東理工大學出版社，2006：306

［15］譚洪卓，谷文英，劉敦華，等.甘薯淀粉糊的流變特性［J］.食品科學，2007（1）：58-63

［16］Dintzis F R，Bagley E B.Shear-thickening and flow-induced structure in a system of DMSO containing waxy maize starch［J］.Journal of Rheology，1995，39：1399-1409

［17］Dintzis F R，Berhow M A，Bagley E B，et al.Shear-thickening behavior and shear-induced structure in gently solubilized starches［J］.Cereal Chemistry，1996，73（5）：638-643

［18］Dintzis F R，Bagley E B.Shear-thickening and transient flow effects in starch solutions［J］.Journal of Applied Polymer Science，1995，56：637-640

［19］Wang B，Li D，Wang L，et al.Anti-thixotropic properties of waxy maize starch dispersions with different pasting conditions［J］.Carbohydrate Polymers，2010，79（4）：1130-1139

［20］楊彬，周裔彬，陳俊芳，等.蓮子淀粉的流變性初步研究［J］.食品研究與開發，2011，32（11）：40-43

［21］Achayuthakan P，Suphantharika M.Pasting and rheological properties of waxy corn starch as affected by guar gumand xanthan gum［J］.Carbohydrate Polymers，2008，71（1）：9-17

［22］鄒鐵，華漢威，趙春梅，等.菱角淀粉糊的流變性質研究［J］.中國糧油學報，2011，26（12）：45-48.

Rheological Properties of Lotus-Seed Starch Pastes

Guo Zebin1，2，3Chen Ling1，2Zeng Shaoxiao1，2，3Lin Yuanyuan1Zheng Baodong1，2，3
（College of Food Science，Fujian Agriculture and Forestry University1，Fuzhou 350002）
（Institute of Food Science and Technology，Fujian Agriculture and Forestry University2，Fuzhou 350002）
（Fujian Provincial Key Laboratory of Quality Science and Processing Technology in Special Starch3，Fuzhou 350002）

In order to inquire into the rheological properties of lotus-seed and lotus-seed／colloidal system starch pastes，the starches have been determined by rheometer.The static rheological properties investigation established that the lotus-seed and lotus-seed／colloidal system starch pastes can exhibit typical time-dependent shear-thinning pseudoplastic and thixotropic behavior，while the Herschel-Bulkley rheological model can be used to fit the flow behavior of all starch pastes.The yield stress had increased with increasing the concentration of lotusseed starch，guar and xan.CMC，car and alg could lead the starch paste of liquidity enhancement.The determination of dynamic rheological properties indicated that G′of lotus-seed starch paste was higher than G″and both of which were increasing synchronously with increasing the concentration.The viscoelasticity of lotus-seed paste can be improved by adding CMC and alg，while the viscoelasticity will decrease when adding guar and xan，car in low concentration.

lotus-seed starch，rheological properties，hydrophilic colloid

TS231

A

1003-0174（2014）03-0030-07

福建省自然科學基金（T0650021），福建省科技攻關（2008N0007），福建省高等學校科技創新團隊支持計劃（閩教科［2012］03號），福建農林大學科技創新團隊支持計劃（cxtd12009）

2013-05-19

郭澤鑌，男，1986年出生，博士，現代農產品加工技術

鄭寶東，男，1967年出生，教授，食品科學與工程